周 坤 王文健 劉啟躍 郭 俊

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都，610031

0 引言

鋼軌是鐵路系統(tǒng)中重要的承力部件，隨著我國(guó)鐵路“高速”、“重載”戰(zhàn)略的實(shí)施，輪軌間載荷也大幅增加，波磨、疲勞裂紋、剝落等鋼軌損傷也日趨嚴(yán)重[1-2]。這些損傷會(huì)加劇列車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)與噪聲，甚至對(duì)列車運(yùn)行安全造成威脅[3-4]，因此當(dāng)鋼軌損傷達(dá)到一定限度時(shí)，或者在這些損傷出現(xiàn)之初，就需要對(duì)鋼軌進(jìn)行維護(hù)。鋼軌打磨是世界各國(guó)鐵路工務(wù)部門最常用的線路維護(hù)技術(shù)之一，是對(duì)鋼軌進(jìn)行修復(fù)最有效的措施[5-8]。通過(guò)打磨作業(yè)可修復(fù)或減輕軌面損傷，預(yù)防接觸疲勞等鋼軌損傷的產(chǎn)生，有效改善輪軌匹配關(guān)系，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，提高列車運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。當(dāng)前，隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，鋼軌打磨技術(shù)也逐漸成熟，我國(guó)鋼軌打磨技術(shù)已經(jīng)從最開始借鑒國(guó)外打磨經(jīng)驗(yàn)到目前形成自己的打磨模式[9-10]，但對(duì)鋼軌打磨機(jī)理的理解，特別是鋼軌材料去除行為以及打磨參數(shù)的選取策略方面的研究還不夠充分。在鋼軌打磨過(guò)程中，鋼軌與磨石的相互作用行為復(fù)雜，打磨效率與打磨質(zhì)量受多個(gè)因素的影響，且我國(guó)鐵路分布范圍廣泛，鋼軌服役環(huán)境復(fù)雜多樣，鋼軌表面經(jīng)常存在水、油等第三介質(zhì)，這也會(huì)對(duì)鋼軌打磨效果產(chǎn)生很大影響[11]。因此,現(xiàn)今鋼軌打磨技術(shù)的關(guān)鍵在于加深對(duì)鋼軌打磨機(jī)理的研究，不斷優(yōu)化打磨參數(shù)，研發(fā)更加優(yōu)良的打磨磨石，將鋼軌打磨與其他鋼軌維護(hù)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步完善我國(guó)高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)理論體系與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

本文綜述了鋼軌打磨過(guò)程中材料的去除機(jī)理，結(jié)合打磨參數(shù)、打磨磨石特性與打磨工況對(duì)材料去除行為進(jìn)行了分析，根據(jù)鋼軌打磨模擬實(shí)驗(yàn)提出了鋼軌打磨效率與打磨質(zhì)量相互作用的機(jī)制，闡明了鋼軌打磨對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響，并對(duì)鋼軌打磨機(jī)理研究的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

1 鋼軌打磨材料去除機(jī)理

1.1 鋼軌打磨方式

鋼軌打磨是使用磨具對(duì)鋼軌進(jìn)行材料去除的過(guò)程，按照磨具的類型、磨具與鋼軌的接觸形式，鋼軌打磨可分為主動(dòng)打磨、砂帶打磨和被動(dòng)打磨。鋼軌主動(dòng)打磨方式如圖1a所示。在打磨過(guò)程中，安裝在打磨列車下的磨石以一定速度旋轉(zhuǎn)，在打磨列車液壓系統(tǒng)的推動(dòng)下與鋼軌頂部接觸，與此同時(shí)，打磨列車在鋼軌上移動(dòng)，對(duì)整條線路進(jìn)行打磨作業(yè)。另外還可以調(diào)整磨石相對(duì)于鋼軌的角度，對(duì)鋼軌軌面進(jìn)行“包絡(luò)打磨”,以修復(fù)鋼軌廓形[12-13]。主動(dòng)打磨屬于端面磨削方式，打磨鋼軌材料去除量大，磨削效率高，但打磨產(chǎn)生的溫度高，容易燒傷鋼軌。

另一種鋼軌打磨方式為砂帶打磨[14-15]。近年來(lái)，砂帶打磨技術(shù)因其具有柔性接觸的特點(diǎn)且不易損傷鋼軌、磨屑易于回收、作業(yè)安全，逐漸受到廣泛關(guān)注，并開始逐步應(yīng)用于實(shí)際鋼軌維護(hù)中，如瑞士公鐵兩用鋼軌砂帶打磨車。如圖1b所示，接觸輪由剛性輪轂外包一層彈性橡膠構(gòu)成，砂帶安裝在接觸輪上，以一定壓力與鋼軌相接觸，對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨作業(yè)，與此同時(shí)，砂帶打磨車在鋼軌上移動(dòng)，對(duì)整條線路進(jìn)行打磨[16-17]。與主動(dòng)打磨過(guò)程一樣，砂帶打磨頭以一定角度在軌頭上分散布置，以實(shí)現(xiàn)“包絡(luò)打磨”。另外，可將接觸輪圓周設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形，以增加接觸長(zhǎng)度，提高打磨作業(yè)效率。

鋼軌被動(dòng)打磨又稱高速打磨[18]，不同于主動(dòng)打磨的杯形磨石，被動(dòng)打磨磨石采用帶有外圓廓形的圓錐形磨石。如圖1c所示，磨石沒(méi)有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，打磨過(guò)程中，磨石在鋼軌高速打磨列車運(yùn)動(dòng)下被動(dòng)地與鋼軌接觸，打磨磨石與鋼軌縱向存在一定的夾角(磨石沖角)。打磨過(guò)程中磨石與鋼軌的接觸線較主動(dòng)打磨的接觸線長(zhǎng)，可以更好地去除掉鋼軌表面的短波長(zhǎng)波磨。打磨作業(yè)完成后軌面粗糙度為5～10 μm，打磨后不會(huì)使得鋼軌斷面形成棱面，而是形成光滑的鋼軌廓形。

(a)主動(dòng)打磨

(b)砂帶打磨[16]

(c)被動(dòng)打磨[18]圖1 鋼軌打磨示意圖Fig.1 Diagram of rail grinding

隨著近年來(lái)我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，高速打磨技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到高速鐵路的鋼軌維護(hù)工作中。當(dāng)前最先進(jìn)的高速鐵路打磨方法是德國(guó)Vossloh公司的被動(dòng)式高速打磨技術(shù)，我國(guó)于2013年在京滬線上試用該公司的高速打磨列車，打磨效果良好。高速打磨技術(shù)采用的是被動(dòng)打磨方式，通常用于預(yù)防性打磨策略，當(dāng)鋼軌表面疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)即予以消除，原則上鋼軌通過(guò)總重為300～500 GN時(shí)打磨一次，最長(zhǎng)間隔時(shí)間不宜超過(guò)2年，單次打磨量為0.005～0.1 mm，一條高速鐵路每年通常需要進(jìn)行2～3次打磨作業(yè)。采用此種打磨方式能有效減少高速鐵路鋼軌的滾動(dòng)接觸疲勞。與主動(dòng)打磨相比，高速打磨單次打磨量小，打磨作業(yè)更加頻繁，比較適合在行車密集的線路作業(yè)，更有利于控制鋼軌波磨。高速打磨列車作業(yè)速度一般為60～80 km/h，單條線路的打磨作業(yè)時(shí)間通常在1 h以內(nèi)，打磨作業(yè)時(shí)不需要專門封閉軌道，其工作效率為主動(dòng)打磨的3～5倍，對(duì)鋼軌造成的損傷也比較小[19]。如圖2所示，高速打磨后鋼軌表面磨痕為交叉網(wǎng)狀，而主動(dòng)打磨后鋼軌表面為平行磨痕，這兩種類型的磨痕對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響區(qū)別目前還未知。

(a)被動(dòng)打磨磨痕 (b)主動(dòng)打磨磨痕圖2 打磨鋼軌磨痕Fig.2 Grinding marks on the ground rail

三種打磨方式各有特點(diǎn)，打磨效果和針對(duì)的線路也有所不同，表1列出了這三種打磨方式各自的特點(diǎn)。不論采用何種方式進(jìn)行打磨作業(yè)，鋼軌與磨具界面存在復(fù)雜的材料去除行為和摩擦學(xué)行為，且打磨受多個(gè)參數(shù)的影響，同時(shí)鋼軌與磨石處于開放環(huán)境中，受外部條件影響較大，因此，對(duì)鋼軌打磨材料去除機(jī)理的研究將有助于進(jìn)一步優(yōu)化鋼軌打磨技術(shù)。

表1 三種打磨方式作業(yè)特點(diǎn)比較

1.2 鋼軌打磨材料去除模型

鋼軌打磨過(guò)程中，處于磨石端面的磨粒對(duì)鋼軌進(jìn)行切削，因此從單顆磨粒切削入手，分析單顆磨粒對(duì)鋼軌材料的去除作用，然后擴(kuò)展到整個(gè)磨石的磨削過(guò)程，就可以對(duì)鋼軌打磨過(guò)程中鋼軌材料的去除過(guò)程進(jìn)行全面而深入的研究。

打磨作業(yè)過(guò)程中，鋼軌表面波磨會(huì)使得打磨壓力產(chǎn)生波動(dòng)，這種壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)鋼軌打磨質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。通過(guò)數(shù)值仿真可以直觀地分析這種情況下的打磨壓力波動(dòng)行為，研究表明[20]隨著軌道不平順?lè)岛筒ㄩL(zhǎng)的增大，打磨壓力波動(dòng)有增大的趨勢(shì)；隨著打磨列車運(yùn)行速度增大，打磨壓力波動(dòng)變小，適當(dāng)提高打磨小車垂向剛度、減小打磨單元質(zhì)量，有利于減小壓力波動(dòng)、提高鋼軌打磨的穩(wěn)定性。如圖3所示，打磨過(guò)程中，磨粒與鋼軌的接觸弧長(zhǎng)是評(píng)價(jià)磨石磨削能力的重要參數(shù)，隨著磨石轉(zhuǎn)速的增大，接觸弧長(zhǎng)度先減小后增大；隨著打磨列車運(yùn)行速度提高，接觸弧長(zhǎng)度減小[21]。接觸弧長(zhǎng)增大意味著磨粒切削過(guò)程加長(zhǎng)，打磨效率有所提高。如圖4所示，鋼軌打磨過(guò)程中，磨粒的運(yùn)動(dòng)由兩部分組成，即隨著磨石的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)和隨著打磨列車在鋼軌上的移動(dòng)而移動(dòng)，磨粒的運(yùn)動(dòng)為兩部分的矢量和，在磨粒運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上可以計(jì)算得到整個(gè)磨石消耗的功率[22]。

利用有限元仿真可以更加直觀地表達(dá)磨粒切削過(guò)程中鋼軌材料的去除過(guò)程，即先仿真打磨過(guò)程中單顆磨粒的切削過(guò)程[23]，并分析切削過(guò)程中單顆磨粒幾何形狀、切削深度、負(fù)前角對(duì)鋼軌材料去除行為的影響，然后再由此推展到整個(gè)磨石打磨的材料去除過(guò)程。如圖5所示，在磨粒切削過(guò)程中，鋼軌材料被擠壓形成毛刺和切屑，切削力隨著磨削深度的增加而增大；隨著磨粒負(fù)前角增大，切削力增大。在分析單顆磨粒切削的基礎(chǔ)上，建立單個(gè)磨石打磨時(shí)的三維仿真模型[24]。首先測(cè)量鋼軌打磨磨石表面形貌，獲得磨粒面密度和突出高度等表面特征，然后采用虛擬格子法建立磨石模型，并對(duì)虛擬磨石進(jìn)行打磨仿真。結(jié)果表明，隨著磨石轉(zhuǎn)速的增大，打磨磨削力緩慢減小，同時(shí)鋼軌材料去除量增加，打磨后鋼軌表面粗糙度減小。通過(guò)有限元仿真也可分析打磨磨石的磨損情況[25]，隨著打磨距離增大，磨石磨損量呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著打磨轉(zhuǎn)速與打磨深度增大，磨石磨損量也相應(yīng)增大，而隨著進(jìn)給速度增大，磨石磨損量減小。

圖3 考慮打磨列車動(dòng)態(tài)性能的磨粒接觸弧長(zhǎng)模型[21]Fig.3 Contact length model considering the dynamic performance of grinding train[21]

(a)磨粒運(yùn)動(dòng)分析

(b)磨粒受力分析圖4 磨粒受力與運(yùn)動(dòng)分析示意圖[22]Fig.4 Diagram of force and motion of abrasive grain

(a)單顆磨粒切削[23]

(b)打磨后鋼軌[24]圖5 鋼軌打磨材料去除過(guò)程Fig.5 Material removal during rail grinding

1.3 鋼軌打磨溫度場(chǎng)

鋼軌打磨過(guò)程中鋼軌與磨石界面會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，過(guò)高的溫度會(huì)燒傷鋼軌甚至產(chǎn)生馬氏體白層，白層的產(chǎn)生會(huì)使鋼軌表面硬度增大。通過(guò)分析打磨產(chǎn)生的磨屑發(fā)現(xiàn)，打磨過(guò)程中的高溫使得鋼軌產(chǎn)生劇烈的氧化反應(yīng)[26]，因此，對(duì)鋼軌打磨溫度場(chǎng)進(jìn)行研究是提升鋼軌打磨質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)。

聶蒙等[27]通過(guò)建立鋼軌打磨過(guò)程中單打磨頭與多打磨頭溫度場(chǎng)模型，通過(guò)仿真得到了單打磨頭和多打磨頭作業(yè)時(shí)的溫度場(chǎng)變化，仿真結(jié)果為現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨作業(yè)提供了一系列參考結(jié)論：在不影響打磨作業(yè)效率的情況下，適當(dāng)提高打磨列車行車速度或者增大砂輪尺寸可以降低打磨溫度；隨著打磨功率增大，打磨溫度會(huì)持續(xù)升高；磨頭數(shù)量增多時(shí)，打磨溫度不僅升得快，而且最終溫度更高。張青等[28]將鋼軌打磨過(guò)程中的溫度簡(jiǎn)化為移動(dòng)熱源，運(yùn)用有限元方法建立鋼軌打磨過(guò)程中三維熱彈性模型，得到打磨過(guò)程中溫度、應(yīng)力及應(yīng)變，并分析了打磨參數(shù)對(duì)打磨溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：打磨過(guò)程是快速升溫、緩慢降溫的過(guò)程，打磨溫度總體在200～500 ℃，高溫區(qū)的溫度場(chǎng)、等效應(yīng)力場(chǎng)均呈橢圓狀；打磨溫度隨著打磨列車速度增大而降低，隨著磨石轉(zhuǎn)速增大而升高，隨著磨石數(shù)量增加而升高。張子輿等[29-30]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了打磨參數(shù)對(duì)鋼軌打磨溫度場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，隨著打磨帶寬度和打磨列車行車速度增大，打磨溫度降低；隨著磨石粒度從12號(hào)增至30號(hào)，打磨溫度先升高后降低，打磨溫度場(chǎng)如圖6所示。

圖6 鋼軌打磨溫度場(chǎng)[26]Fig.6 Temperature field of rail grinding [26]

鋼軌打磨溫度與鋼軌表面質(zhì)量之間存在著緊密的聯(lián)系，通過(guò)研究打磨溫度與鋼軌發(fā)藍(lán)、白層現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨參數(shù)的選取，以避免鋼軌表面發(fā)藍(lán)現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高鋼軌打磨質(zhì)量。LIN等[31]進(jìn)行了鋼軌打磨試驗(yàn)，利用半人工熱電偶測(cè)量了鋼軌與磨石界面的溫度，并對(duì)不同溫度下鋼軌試樣的燒傷行為進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)打磨溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，鋼軌表面開始出現(xiàn)燒傷并且出現(xiàn)白層，隨著溫度的升高，燒傷顏色由黃色逐漸變?yōu)樽仙@些燒傷是由于打磨溫度的升高導(dǎo)致鋼軌表面材料氧化所致，當(dāng)打磨溫度上升到802 ℃時(shí)，在燒傷區(qū)域出現(xiàn)了淬火裂紋。在研究打磨溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，今后的打磨作業(yè)應(yīng)該通過(guò)不斷優(yōu)化打磨參數(shù)以避免打磨溫度過(guò)高，在鋼軌表面產(chǎn)生過(guò)度燒傷現(xiàn)象。

1.4 打磨參數(shù)對(duì)鋼軌材料去除的影響

鋼軌材料去除過(guò)程中，鋼軌打磨質(zhì)量和打磨效率受多個(gè)打磨參數(shù)的影響，如何確定合適的打磨參數(shù)對(duì)提高鋼軌打磨作業(yè)水平具有重要意義，如果打磨參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，有可能會(huì)燒傷鋼軌或者硬化層。近年來(lái)，利用鋼軌打磨試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬鋼軌與磨石間的相互作用成為最為關(guān)鍵的研究方向之一。

打磨作業(yè)時(shí)磨石的轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，然而打磨轉(zhuǎn)速對(duì)鋼軌材料去除行為存在很大的影響，研究這一影響機(jī)制對(duì)合理選擇磨石轉(zhuǎn)速具有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[32]的研究表明，隨著轉(zhuǎn)速的增大，鋼軌-磨石界面間的摩擦力減小，摩擦因數(shù)減小，鋼軌試樣材料去除量增加，打磨后鋼軌表面硬度和塑性變形層厚度增大，而表面粗糙度減小。磨石粒度對(duì)鋼軌材料去除行為和磨削力同樣存在很大影響[33]，隨著磨石粒度增大，磨石與鋼軌界面間的摩擦力增大，這也造成打磨溫度的升高。另外，增大打磨列車作業(yè)速度有助于減輕鋼軌表層損傷[34]?，F(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨過(guò)程中施加在磨石上的壓力是由電機(jī)功率決定的，增大打磨壓力會(huì)提高鋼軌材料的去除效率，但打磨壓力的增大會(huì)使打磨后鋼軌表面質(zhì)量變差，主要表現(xiàn)為鋼軌表面粗糙度、硬度增大，塑性變形層和白層厚度增加[35]。通過(guò)鋼軌打磨模擬實(shí)驗(yàn)分析打磨參數(shù)是研究鋼軌打磨的基礎(chǔ)，在探明鋼軌打磨機(jī)理的同時(shí)還能為現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨參數(shù)選取提供一定的理論依據(jù)。

1.5 打磨磨石對(duì)鋼軌材料去除影響

打磨磨石作為磨削鋼軌的磨具，直接關(guān)系到鋼軌打磨效率和打磨質(zhì)量以及磨石的使用壽命。在選擇磨石類型時(shí)，要同時(shí)考慮磨石特性，如：磨料成分、結(jié)合劑、磨石粒度、磨粒硬度、氣孔[36]。磨粒的主要性能應(yīng)包括：①金屬切削能力強(qiáng)；②抗磨損能力高；③中高硬度水平(避免磨粒磨鈍)。目前打磨磨石最常用的磨粒為剛玉(棕剛玉和鋯剛玉)。

如果采用硬度較大的打磨磨石，磨石的使用壽命會(huì)延長(zhǎng)，但是因?yàn)槟チ：茈y破碎，長(zhǎng)時(shí)間的磨削會(huì)使得磨粒變鈍，導(dǎo)致鋼軌材料去除量??；如果選用硬度較小的磨石，鋼軌材料去除量大，但磨石使用壽命短，這會(huì)增加作業(yè)成本，而且作業(yè)過(guò)程中(天窗時(shí)間內(nèi))頻繁更換磨石會(huì)影響打磨作業(yè)效率。因此要在保證鋼軌材料去除量的基礎(chǔ)上盡量延長(zhǎng)磨石使用壽命，另外，打磨磨石對(duì)鋼軌打磨質(zhì)量的影響也是必須考慮的方面。

日本鐵道技術(shù)研究院研發(fā)了一種新型打磨磨石，該磨石與當(dāng)前常見的磨石相比具有更好的磨削性能[37]。目前我國(guó)對(duì)打磨磨石的研究還處于起步階段。張國(guó)文等[38]利用4種酚醛樹脂結(jié)合劑制得了打磨磨石，經(jīng)過(guò)打磨試驗(yàn)測(cè)試了磨石的使用壽命以及磨削性能，主要測(cè)試了磨石的熱穩(wěn)定性以及磨損情況。今后科研工作者還需針對(duì)我國(guó)鋼軌特點(diǎn)對(duì)打磨磨石進(jìn)行全面而系統(tǒng)的研究。

當(dāng)前我國(guó)打磨磨石主要從國(guó)外引進(jìn)，而各國(guó)鐵路鋼軌的硬度存在差異，鋼軌的硬度對(duì)打磨效率和質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接影響，如果鋼軌打磨列車所設(shè)定的作業(yè)技術(shù)參數(shù)不變，當(dāng)軌道上所鋪設(shè)的是硬度相對(duì)較低的普通碳素鋼鋼軌時(shí)，打磨過(guò)程中鋼軌材料去除量要大于硬度較高的軌頭淬火鋼軌的去除量[39]。根據(jù)目前掌握的觀測(cè)結(jié)果和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下只要打磨列車所安裝的打磨磨石質(zhì)量可靠、無(wú)嚴(yán)重磨損、硬度范圍正常(布氏硬度值為240～380)的鋼軌，則硬度差異對(duì)打磨車的作業(yè)效率不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，但其具體影響還需進(jìn)一步研究。

1.6 不同打磨工況下鋼軌材料去除行為

鋼軌打磨過(guò)程中，鋼軌和磨石處于開放的環(huán)境中，外部環(huán)境對(duì)鋼軌打磨作業(yè)影響比較大，我國(guó)常用PGM-48鋼軌打磨列車，其作業(yè)條件見表2?？梢钥吹戒撥壌蚰チ熊嚳稍谟晏旌突覊m嚴(yán)重的條件下作業(yè)，但是目前對(duì)于雨天打磨作業(yè)還沒(méi)有比較全面的研究，水介質(zhì)的存在會(huì)降低磨石波動(dòng)幅度，但打磨量較干態(tài)條件下打磨量減小12.3%，同時(shí)打磨后鋼軌表面粗糙度更小[40]。由于打磨會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，在有水介質(zhì)存在的條件下可能會(huì)使得鋼軌發(fā)生淬火反應(yīng)，這會(huì)進(jìn)一步使得鋼軌表面產(chǎn)生硬化層，因此今后應(yīng)該對(duì)水介質(zhì)作用下的鋼軌打磨進(jìn)行深入的研究。

表2 PGM-48鋼軌打磨列車作業(yè)條件

當(dāng)前我國(guó)高速鐵路大部分都是采用無(wú)縫鋼軌，無(wú)縫鋼軌可以極大地提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。打磨鋼軌焊接接頭可以有效降低鋼軌的不平順度[41]，這也是現(xiàn)場(chǎng)鋼軌打磨的重要部分，但是接頭處的材料組成及物理性能與鋼軌材料有很大不同，打磨更容易產(chǎn)生燒傷，在接頭表面產(chǎn)生發(fā)藍(lán)現(xiàn)象[42-43]，今后對(duì)于焊接接頭的打磨研究應(yīng)該更加細(xì)致，防止在焊接接頭處打磨產(chǎn)生熱裂紋等損傷。

此外，我國(guó)鐵路分布廣泛，從南到北、從東到西，具有許多特殊服役環(huán)境(高寒、高溫、高濕、多風(fēng)沙等復(fù)雜氣候條件)[44]，在這些環(huán)境下打磨時(shí)，打磨作業(yè)效率和質(zhì)量還不得而知，這是我國(guó)鋼軌打磨技術(shù)發(fā)展必須應(yīng)對(duì)的問(wèn)題，今后應(yīng)開展更多特殊工況下的鋼軌打磨試驗(yàn)。

2 鋼軌打磨質(zhì)量與打磨效率相互作用機(jī)制

隨著我國(guó)高速和重載鐵路的快速發(fā)展，對(duì)線路維護(hù)的要求也比以往更高，不僅要求軌道具有較高的平順性，還要求打磨作業(yè)不能對(duì)鋼軌造成損傷[45-47]。另外，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，在一定的時(shí)間內(nèi)要盡量保證鋼軌打磨效率(即單位時(shí)間內(nèi)的鋼軌材料去除量)。打磨量是衡量打磨效率的主要依據(jù)，鋼軌打磨量是通過(guò)打磨前后鋼軌斷面廓形構(gòu)成的面積來(lái)表征的。打磨參數(shù)對(duì)鋼軌材料去除量的影響前文已闡述，打磨過(guò)程中，同一角度下通常有三個(gè)磨石進(jìn)行打磨。試驗(yàn)表明[48]：第一遍打磨量最大，第二遍次之，第三遍最小。

經(jīng)過(guò)多年的打磨實(shí)踐，科研人員總結(jié)了針對(duì)我國(guó)鐵路的鋼軌打磨時(shí)機(jī)、周期、技術(shù)要求、作業(yè)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，初步形成了我國(guó)鋼軌打磨技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)鋼軌打磨作業(yè)驗(yàn)收項(xiàng)目包括：鋼軌廓形、波磨形式、打磨帶寬度、打磨深度、鋼軌表面粗糙度、鋼軌發(fā)藍(lán)情況、打磨砂輪起落部位的砂輪磨痕。鋼軌打磨廓形和波磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分別見表3和表4。在同一個(gè)打磨面上連續(xù)測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，其均值應(yīng)小于10 μm[47]。另外還有打磨后軌面無(wú)發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，軌面光潔，每個(gè)弧面段過(guò)渡圓順，左右軌的軌頂光帶寬為18～23 mm[40]。

表3 軌頭廓形驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(車載檢測(cè))

表4 波磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

打磨產(chǎn)生的白層對(duì)輪軌接觸疲勞具有很大影響，如圖7所示，在列車運(yùn)行過(guò)程中，打磨產(chǎn)生的高硬度白層被壓入珠光體基體材料中，在車輪切向力的作用下還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，導(dǎo)致鋼軌萌生裂紋[49]。打磨產(chǎn)生的白層還有可能會(huì)帶有微裂紋，這些裂紋在輪軌滾動(dòng)接觸過(guò)程中會(huì)逐漸擴(kuò)展至鋼軌基體組織，對(duì)鋼軌造成嚴(yán)重危害[50]。因此，打磨作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免在鋼軌表面產(chǎn)生白層。

(a)鋼軌燒傷[50](b)白層及塑性變形[51]

(c)疲勞裂紋[51]圖7 鋼軌打磨造成“預(yù)疲勞”Fig.7 “Pre-fatigue” caused by rail grinding

鋼軌打磨不可避免地會(huì)在鋼軌表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力隨著打磨壓力的增加而增大。如圖8所示，打磨帶中間區(qū)域的殘余應(yīng)力(σ⊥center、σ‖center)較邊緣區(qū)域殘余應(yīng)力(σ⊥edge、σ‖edge)大，且垂直于磨痕的殘余應(yīng)力(σ⊥center、σ⊥edge)要大于平行磨痕方向的殘余應(yīng)力(σ‖center、σ‖edge)。磨削產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)加劇疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展[51]，但打磨產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)鋼軌疲勞性能的影響還未知，這也成為今后亟待研究的內(nèi)容之一。

圖8 鋼軌打磨產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力Fig.8 Residual tensile stress induced by rail grinding

由打磨參數(shù)對(duì)鋼軌材料去除量的影響結(jié)果可知，若要增加打磨量，就要盡量增大磨石轉(zhuǎn)速和打磨壓力(打磨功率)或降低打磨列車行車速度，但是當(dāng)打磨轉(zhuǎn)速和打磨壓力過(guò)大，或打磨列車行車速度過(guò)低時(shí)，會(huì)燒傷鋼軌甚至在鋼軌表面產(chǎn)生白層、塑性變形層，這反而給鋼軌造成了“預(yù)疲勞”，因此，打磨量與打磨質(zhì)量是相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，如何平衡兩者的關(guān)系是今后應(yīng)該深入研究的內(nèi)容。研究表明，打磨壓力過(guò)大或過(guò)小都達(dá)不到良好的打磨效果：打磨壓力過(guò)大時(shí)打磨量雖然充足，但打磨后鋼軌表面質(zhì)量較差；打磨壓力過(guò)小時(shí)，雖然鋼軌表面質(zhì)量良好，但打磨量不能滿足要求。另外，鋼軌的不同頂部半徑下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)的打磨壓力也不同。今后應(yīng)該繼續(xù)根據(jù)打磨效率與打磨質(zhì)量相互作用機(jī)制，對(duì)打磨參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高鋼軌打磨作業(yè)效果和經(jīng)濟(jì)性。

3 打磨對(duì)輪軌接觸疲勞的影響

打磨除了能有效減輕鋼軌側(cè)磨[52-53]，最主要的目的是控制鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞。高速鐵路鋼軌病害的整治限度見表5。打磨對(duì)控制鋼軌接觸疲勞的作用可以分為打磨過(guò)程中和打磨后。打磨過(guò)程中，打磨磨石可以有效地去除鋼軌表面的接觸疲勞，減小列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)和噪聲[54]。另外，打磨產(chǎn)生的磨痕也會(huì)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞產(chǎn)生很大影響。

表5 鋼軌病害整治限度

當(dāng)前鋼軌打磨分類較多，根據(jù)打磨時(shí)間和打磨目的的不同，鋼軌打磨可主要分為：預(yù)打磨、修復(fù)性打磨、預(yù)防性打磨。預(yù)打磨是對(duì)鋪設(shè)上道的新鋼軌進(jìn)行打磨，去除軌面脫碳層，消除鋼軌在生產(chǎn)、焊接、運(yùn)輸和施工過(guò)程中產(chǎn)生的表面缺陷，優(yōu)化軌頭廓形，改善焊接接頭平順性[55]。鋼軌打磨技術(shù)的誕生階段，主要是對(duì)鋼軌進(jìn)行修復(fù)性打磨。修復(fù)性打磨是指鋼軌表面產(chǎn)生缺陷以后，對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨作業(yè)，清除鋼軌疲勞裂紋、波磨、剝落、肥邊等缺陷[56]。自20世紀(jì)80年代開始，預(yù)防性打磨逐漸開始應(yīng)用到各國(guó)鐵路工務(wù)部門。預(yù)防性打磨是指對(duì)鋼軌進(jìn)行周期性打磨，對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行修復(fù)，使得鋼軌表面疲勞裂紋在萌生階段就予以消除，可以很好地控制鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的擴(kuò)展[57-58]。SATOH等[59]在日本高速線路上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)打磨試驗(yàn)并進(jìn)行了數(shù)年的觀察，發(fā)現(xiàn)打磨能直接去除鋼軌表面因長(zhǎng)期與車輪滾動(dòng)接觸產(chǎn)生的塑性流動(dòng)層，此外鋼軌打磨還可減少鋼軌表層以下的塑性流動(dòng)層的產(chǎn)生，雖然打磨并未直接作用到這些區(qū)域。

另外，打磨完成后會(huì)在鋼軌表面產(chǎn)生磨痕，這些磨痕對(duì)后續(xù)輪軌運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的影響。鋼軌不同粗糙度的磨痕在經(jīng)歷相同的輪軌滾動(dòng)循環(huán)次數(shù)后幾乎減小至同一粗糙度水平，表面磨痕幾乎消失，因此，打磨產(chǎn)生的磨痕不太可能使鋼軌萌生疲勞裂紋或者加速疲勞裂紋擴(kuò)展，打磨鋼軌疲勞裂紋是在鋼軌表面磨痕消失之后產(chǎn)生的[60]。鋼軌表面磨痕對(duì)輪軌間摩擦因數(shù)有顯著影響，滑動(dòng)速度的增加會(huì)減小摩擦因數(shù)，在高滑動(dòng)速度下，鋼軌表面磨痕會(huì)顯著增加車輪的磨損[61]。由此可見，在干態(tài)下磨痕對(duì)鋼軌接觸疲勞并沒(méi)有直接影響，但是能顯著增大輪軌間的摩擦因數(shù)。當(dāng)輪軌間存在水、油第三介質(zhì)時(shí)，磨痕的影響存在較大不同[62]。在有水或油介質(zhì)存在的條件下，磨痕對(duì)鋼軌接觸疲勞的影響與磨痕相對(duì)于輪軌運(yùn)行方向有關(guān)，在有水介質(zhì)存在條件下，0～45°范圍的磨痕會(huì)加速鋼軌接觸疲勞裂紋的擴(kuò)展，而45°～90°的磨痕會(huì)在一定程度上減緩鋼軌疲勞裂紋的擴(kuò)展；在有油介質(zhì)存在的條件下，0°和45°方向的磨痕會(huì)使鋼軌表面出現(xiàn)嚴(yán)重的剝落坑和疲勞裂紋，90°方向的磨痕處鋼軌損傷較輕微。因此，在輪軌界面存在水或油介質(zhì)時(shí)，磨痕使得輪軌界面間的壓力分布極不均勻，使得鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞大幅增加。

現(xiàn)代鐵路鋼軌維修工作包括：鋼軌廓形修復(fù)、鋼軌病害清除、選擇與運(yùn)輸條件相匹配的鋼軌等級(jí)、鋼軌焊接、涂油潤(rùn)滑、輪軌間摩擦條件的調(diào)整等[63-64]，其中鋼軌打磨是修復(fù)鋼軌廓形和清除鋼軌病害的主要手段。但是目前如何將鋼軌打磨與其他的鋼軌維修工作結(jié)合起來(lái)對(duì)鋼軌進(jìn)行全方位的維護(hù)，既保證良好的輪軌間接觸條件，又延長(zhǎng)鋼軌壽命，是亟待解決的問(wèn)題。在鋼軌打磨方式中，還存在著鋼軌銑磨[65]的方式，鋼軌銑磨是德國(guó)、奧地利采用的鋼軌維修方式，經(jīng)過(guò)多年的探索與研究，已經(jīng)在清除鋼軌病害方面取得不錯(cuò)效果，今后是否引進(jìn)該技術(shù)并將鋼軌銑磨整修運(yùn)用到現(xiàn)有鋼軌維護(hù)作業(yè)中也是值得研究的一個(gè)問(wèn)題。

4 展望

本文介紹了鋼軌打磨材料去除機(jī)理、鋼軌打磨質(zhì)量和打磨效率、高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀，以及打磨對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響。根據(jù)鋼軌打磨試驗(yàn)給出了打磨殘余應(yīng)力的部分?jǐn)?shù)據(jù)：打磨會(huì)在鋼軌表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，且殘余應(yīng)力值隨著打磨壓力的增大而增大。今后鋼軌打磨技術(shù)研究應(yīng)考慮以下四個(gè)方面。

(1)研發(fā)針對(duì)我國(guó)鋼軌的打磨磨石。主要從磨料成分、結(jié)合劑、磨石粒度、磨粒硬度、氣孔等方面入手，以提高打磨作業(yè)效率和質(zhì)量，提升打磨經(jīng)濟(jì)性。

(2)研究特殊工況下鋼軌打磨材料的去除行為。研究水介質(zhì)、低溫、焊接接頭等條件下鋼軌材料的去除行為，對(duì)比分析這些工況下打磨效率和打磨質(zhì)量與常溫干態(tài)下打磨的異同，為特殊工況下鋼軌打磨作業(yè)提供參考。

(3)進(jìn)一步分析打磨對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響。打磨可能會(huì)在鋼軌表面產(chǎn)生白層、殘余應(yīng)力等“預(yù)疲勞”，這些由于打磨產(chǎn)生的損傷對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響還未知，今后應(yīng)該對(duì)此作深入細(xì)致的研究。

(4)鋼軌打磨技術(shù)與其他鋼軌維護(hù)措施相結(jié)合。在鋼軌維護(hù)措施中，應(yīng)該同時(shí)考慮鋼軌打磨、鋼軌涂油、摩擦改進(jìn)等技術(shù)。綜合采用這些鋼軌維護(hù)措施，既能保證延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，又能保證良好的輪軌接觸狀況，從而大幅提升鐵路部門的經(jīng)濟(jì)效益。